Часть 9
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТРЕБНОСТИ ОРГАНИЗМА В ЭНЕРГИИ.
Необходимая энергия в организме образуется за счет катаболизма углеводов, жиров и белков. При окислении в организме человека 1г. углеводов освобождается 4,2 ккал энергии, 1г. жиров-9,4 ккал, а 1г.-4,1 ккал.
Баланс энергии определяют на основе данных о калорийности потребляемых питательных веществ и энергетических затрат самого организма. Для этого, во-первых, необходимо определить калорийность пищевых веществ, т. е. величину энергии пищи, и, во-вторых, энергию, выделившуюся в организме в виде тепла и механической работы.
Определение калорийности питательных веществ производится обычно калориметрическим методом путем сжигания в калориметрической «бомбе». Определение энергетических затрат самого организма производится также экспериментальным путем и выражается в килокалориях. Для этой цели существуют специальные методы, которые сводятся к прямой и непрямой калориметрии. При прямой калориметрии учитывается количество тепла в килокалориях, которое освобождается за сутки. Для этих целей служат просторные камеры, в которых человек может свободно двигаться и совершать работу.
Метод непрямой калориметрии является наиболее распространенным и простым. С помощью этого метода об энергетических затратах судят по количеству поглощенного организмом кислорода и выделенного углекислого газа. Объемные отношения между потребленным кислородом и образовавшимся при этом углекислым газом составляет величину дыхательного коэффициента- СО2/О2.
Дыхательный коэффициент при окислении углеводов равен 1. Это означает, что при окислении в тканях углеводов до углекислоты и воды объем выделенной углекислоты равен объему поглощенного кислорода. Что это действительно так, явствует из уравнения окисления углеводов (см. с. 62). Дыхательный коэффициент для жиров равен 0,7. Это говорит о том, что объем выделенной углекислоты при окислении в тканях жиров всегда меньше объема поглощенного кислорода. Это совершенно понятно, так как по сравнению с углеводами жиры содержат в своей молекуле меньше кислорода. Дыхательный коэффициент для белков равен 0,8.
В клинике для характеристики энергетического обмена используют определение величин так называемого основного обмена, при измерении которого проводят определение количества потребленного кислорода и выделенного СО2 (часто измеряют лишь количество потребленного кислорода) натощак в состоянии полного покоя за 1 час. Размер основного обмена в норме составляет около 1 ккал в 1 час на 1 кг веса. Эти энерготраты идут на обеспечение основных процессов жизнедеятельности организма (работу мозга, кровообразование, дыхание и т. д.).
ГЛАВА 6. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ
6.1. Общая характеристика биологического окисления.
Рекомендуемые материалы
Процессы биологического окисления являются основным источником энергии в организме. Вещество окисляется, если к нему присоединяется кислород, либо оно теряет электроны, либо одновременно электроны и протоны (т. е. водород). Окисление одного вещества всегда сопровождается восстановлением другого, т. е. окислительные реакции всегда идут одновременно с восстановительными.
В настоящее время представление о биологическом окислении связывают со следующими теориями: так называемой «активации» водорода В. И. Палладина и Виланда и «активации» кислорода А. Н. Баха. Теория активирования кислорода, разработанная в 1897 г. А. Н. Бахом, известна также под названием «перекисной теории окисления». Суть теории состоит в том, что молекулярный кислород вступает в реакцию с легко окисляемым соединением и дает перекиси. Затем происходит перенос перекисного кислорода с перекиси на другие молекулы, не реагирующие с молекулярным кислородом. А. Н. Бах считал, что в этом процессе принимают участие следующие ферменты: оксигеназа и пероксидаза. Он полагал, что процесс идет следующим образом:
О О
1. Оксигеназа + ½½ ¾® оксигеназа ½
О О
перекись
О
2. Оксигеназа + субстрат ¾® окисленный+ оксигеназа
О субстрат
(пероксидаза)
Эта теория приемлема к ряду окислительных процессов в растительных тканях.
Универсальной и совершенно новой теорией является теории «активации» водорода, созданная В. И: Палладиным. В основе этой теории лежат процессы дегидрирования - отнятия водорода. В. И. Палладин полагал, что атмосферный кислород не доходит до окисляемого вещества, а является только акцептором водорода. Виланд подтвердил теорию В. И. Палладина на примере окисления этилового спирта в уксусный альдегид, а последнего в уксусною кислоту, показав, что окисление идет при отсутствии кислорода, путем дегидрирования.
6.2. ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ
Процессы биологического окисления в организме проходят ряд стадий. Между окисляемым веществом и конечными продуктами его окисления образуется ряд промежуточных соединений. В их образовании принимает участие большое количество ферментов. На последних стадиях катаболизма происходит расщепление веществ с участием оксидоредуктаз, совокупность которых образует так называемую дыхательную цепь.
К числу ферментов дыхательной цепи относятся:
1. Пиридинзависимые дегидрогеназы с коферментом НАД + и
НАДФ+;
2. Флавинзависимые дегидрогеназы (флавопротеиды), у которых простетической группой служат ФМН и ФАД;
3. Цитохромы и цитохромоксидаза, их простетической группой является гем.
Дыхательная цепь подразделяется на водородопереносящую- гиридин- и флавопротеиды и электронопереносящую - цитохромы. Атомы водорода (протоны и электроны.) от окисляемого субстрата присоединяются к НАД+ . Восстановленная форма НАД+ (НАДН) передает водород флавопротеидам. Дальнейшая судьба водорода может быть различной. Водород с флавопротеидов может быть передан прямо на кислород с образованием перекиси водорода. Последняя распадается под действием каталазы на кислород и воду. У высших животных в процессе тканевого дыхания (аэробного окисления) не происходит образования H2O2.
Самым распространенным вариантом окисления водорода, снятого с восстановленных флавиновых дегидрогеназ, является окисление с помощью цитохромной системы. Этот путь характерен как для животных, так и для растений. Цитохромы включаются в перенос электронов в определенной последовательности (в, с, с1, а, а3). Последний цитохром, который реагирует с кислородом воздуха, называется цитохромоксидазой.
В литературе имеются убедительные данные, свидетельствующие о том, что между флавинами и цитохромами могут включаться белки, содержащие негеминовое железо (НГFе) и убихинон (кофермент Q). Окисление водорода в терминальной цепи тканевого дыхания может быть изображено с помощью схемы .(рис. 12).
В литературе имеются убедительные данные, свидетельствующие о том, что между флавинами и цитохромами могут включаться белки, содержащие негеминовое железо (НГFе) и убихинон (кофермент Q). Окисление водорода в терминальной цепи тканевого дыха
ния может быть изображено с помощью схемы .(рис. 12).
6.3.ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
Окислительное фосфорилирование было бы правильнее назвать
фосфорилированием в дыхательной цепи (Ленинджер, 1972). Суть его состоит в следующем. Перенос электронов и протонов по окислительно-восстановительной цепи ферментов сопровождается высвобождением значительного количества энергии, большая часть которой трансформируется в энергию фосфатных связей макроэргических соединений, главным образом АТФ. Неиспользованная энергия рассеивается в виде тепла. Для синтеза АТФ необходим АДФ, неорганический фосфат, 8-10 ккал энергии и соответствующие ферменты.
АДФ+НзР04+8-10 ккал энергии ® АДФ~Р ® АТФ
При распаде АТФ соответственно высвобождается такое же количество энергии. Процесс синтеза АТФ из АДФ и нес фосфата за счет энергии дыхания (энергии переноса электронов) получил название окислительного фосфорилирования.
Идея о наличии сопряжения между фосфорилированием АДФ и аэробным дыханием впервые была высказана советским ученым В. А. Энгальгардом. При дальнейшем изучении энергетики дыхательной цепи оказалось, что в дыхательной цепи имеется три участка, в которых перенос электронов сопровождается высвобождением энергии, превышающим величину стандартной свободной энергии образования АТФ. Оказалось, что в цепи дыхания происходит три реакции фосфорилирования. То есть при окислении одной молекулы водорода происходит образование трех молекул АТФ в следующих местах дыхательной цепи:
1. Между НАДН и флавопротеидом.
2. Между цитохромами b и с.
3. Между цитохромом а и молекулярным кислородом. Процесс окислительного фосфорилирования, как и процесс биологического окисления, происходит в митохондриях.
ГЛАВА 7. ОБМЕН УГЛЕВОДОВ
7.1. РОЛЬ УГЛЕВОДОВ В ПИТАНИИ
Углеводы составляют большую часть пищи человека, около 60-70% пищевого рациона. В среднем количество углеводов в суточном рационе человека составляет 450—600 г. Организм человека и животных получает углеводы с различными пищевыми веществами, главным образом, растительного происхождения. Окисление углеводов в тканях является одним из основных источников энергии, необходимой организму для осуществления разнообразных функций.
Избыток углеводов в пище ведет к превращению их в жиры. Избыточное введение углеводов может привести к нежелательному ожирению у человека, т. е. отложению жира в жировых депо. Недостаточное потребление углеводов для человека также нежелательно. Оно может закончиться нарушением обмена веществ.
7.2. ПЕРЕВАРИВАНИЕ И ВСАСЫВАНИЕ УГЛЕВОДОВ
Распад углеводов начинается в ротовой полости. В слюне содержится фермент, называемый µ-амилазой (птиалином, диастазой), расщепляющий крахмал. Расщепление идет до декстринов, а при более длительном воздействии - до мальтозы. В желудке углеводы не подвергаются перевариванию, так как там нет соответствующего фермента. Основное переваривание углеводов происходит в двенадцатиперстной кишке и в дальнейших отрезках тонких кишок под влиянием µ-амилазы, поступающей в двенадцатиперстную кишку с соком поджелудочной железы. Главным, конечным продуктом гидролиза крахмала µ-амилазой является мальтоза, которая затем расщепляется на две молекулы глюкозы под действием фермента мальтазы.
Мальтаза, а также и другие гликозидазы - сахараза и лактаза, вырабатываемые в железах слизистой оболочки тонких кишок, расщепляют дисахариды до моносахаридов. Сахараза гидролизует сахарозу на глюкозу и фруктозу, а лактаза - лактозу до глюкозы и галактозы. Клетчатка (целлюлоза) из-за отсутствия целлюлазы в животном организме не разлагается ферментами пищеварительных соков.
Из кишечника в кровь всасываются только моносахариды. Скорость всасывания у разных моносахаридов различна. Полагают, что они всасываются в виде моносфорных эфиров, что дает возможность взаимопревращению в стенке кишечника гексоз, в частности, превращению фруктозы и галактозы в глюкозу. Моносахариды с током крови по системе воротной вены попадают в печень. В печени часть глюкозы превращается в гликоген. Печень способна как синтезировать гликоген, так и расщеплять его с образованием глюкозы.
7.3. БИОСИНТЕЗ УГЛЕВОДОВ
БИОСИНТЕЗ ГЛИКОГЕНА. Глюкоза, прежде чем превратиться в гликоген, подвергается фосфорилированию. Эта реакция происходит с участием фермента гексокиназы (фосфотрансферазы), катализирующего перенос фосфорного остатка с АТФ на глюкозу.
1. Глюкоза+АТФ - ¾® Глюкозо-6-фосфат+АДФ.
гексокиназа
Далее глюкозо-6-фосфат превращается в глюкозо-1-фосфат при участии фермента фосфоглюкомутазы.
2. Глюкозо-6-фосфат ¬¾¾¾ Глюкозо-1-фосфат
¾¾¾®
фосфоглюкомутаза
Глюкозо-1-фосфат в присутствии фермента гликозилтрансферазы (пирофосфорилазы) взаимодействует с уридинтрифосфатом (УТФ) с образованием уридиндифосфатглюкозы (УДФ-глюкозы) и пиро-фосфата.
3. Глюкозо-1-фосфат+УТФ ¬¾¾¾ УДФ-глюкоза+Н4Р2О7
¾¾¾®
пирофосфорилаза пирофосфaт
Затем в присутствии особой трансферазы (гликогенсинтетазы) и «затравочного» количества гликогена происходит удлинение цепочки гликогена за счет присоединения остатков глюкозы, входящих в состав УДФ-глюкозы.
4. Гликоген+УДФ-глюкоза ¾® Гликоген +УДФ
(затравка) гликоген-
синтетаза
Аналогичным образом идет синтез крахмала в растительных тканях.
Крахмал+УДФ-глюкоза ¾® Крахмал+УДФ
(затравка) амилосинте-
таза
7.4. РАСПАД УГЛЕВОДОВ В ТКАНЯХ
При нормальном питании только 3% глюкозы, образовавшейся в результате распада олиго- и полисахаридов в пищеварительном тракте, превращается, в печени в гликоген, около 30% превращается в жиры и приблизительно 70% окисляется до конечных продуктов СО2 и H 2O. Окисление углеводов в тканях проходит в два этапа: анаэробный и аэробный.
АНАЭРОБНЫЙ РАСПАД УГЛЕВОДОВ. В начале этого столетия русский ученый Л. И. Иванов на основании исследований установил, что окисление глюкозы в процессе спиртового брожения ускоряется в присутствии фосфорной кислоты. Далее было установлено, что распад гликогена и глюкозы в мышечной ткани до молочной кислоты происходит в анаэробных условиях, т. е. в отсутствии кислорода, и так же, как и спиртовое брожение, ускоряется добавлением солей фосфорной кислоты.
Гликолиз и гликогенолиз. Это путь анаэробного распада углеводов характерен в основном для мышц. Процесс гликолиза начинается с глюкозы и первым продуктом гликолиза является глюкозо-6-фосфат. Этот процесс идет при участии АТФ и фермента глюкокиназы (гексокиназы), относящейся к группе фосфотранс-фераз.
ОН
СН2ОН СН2 О-Р=О
ОН
Н О Н Н H О Н
Н +АТФ ¾® +АДФ
ОН Н гексо- HO ОН Н
НO ОH киназа ОН
Н ОН Н ОН
Глюкоза Глюкозо-6-фосфат
Гликогенолиз начинается с отщепления от гликогена одной молекулы глюкозы в виде глюкозо-1-фосфат. Этот процесс катализируется ферментом фосфорилазой, относящейся к классу трансфераз и подклассу гликозилтрансфераз. Этот фермент расщепляет 1,4 связи гликогена. Отщепление происходит с невосстанавливающегося конца молекулы полисахарида. Под влиянием фосфорилазы происходит ступенчатое отщепление от гликогена остатков глюкозы и образование ее фосфорных эфиров.
ОН ОН
СН2О--Р=О СН2 -О-Р=О
OH ОН
Н H О Н ¾¾¾¾® О OН
¬¾¾¾¾
ОН Н фосфогексо- Н НO CH2OH
НO ОH изомераза H
Н ОН 
НO Н
Глюкозо- 6-фосфат Фруктозо-6-фосфат
Далее глюкозo-1-фocфaт превращается под действием фосфоглюкомутазы в глюкозo-6-фocфaт. Начиная с глюкозo-6-фocфaт процесс глюколиза и гликогенолиза идет одинаково. Глюкозo-6-фocфaт прежде всего претерпевает изомеризацию и превращается в фруктозо-6-фocфaт. Эта реакция обратима.
Затем фруктозо-6-фocфaт фосфорилируется по первому углероду, образуя фруктозо-1,6-дифосфат. Эта реакция идет с участием фермента фосфофруктокиназы, относящегося к классу трансфераз, группе фосфотранфераз. Фосфорилирование осуществляется за счет молекулы АТФ. Фруктозо-1,6-дифосфат под действием фермента альдолазы (класс лиаз) расщепляется на две фосфотриозы: фосфодиоксиацетон и фосфоглицериновый альдегид.
ОН ОН OH
СН2О--Р=О СН2 -О-Р=О СН2 -О-Р=О
OH альдолаза ОН OH
О OН ¾¾® + CHOH
¬¾ С =O
Н НO OH O
Н CH2-O-Р= О CH2OH C
НO Н OH H
Фруктозо-1,6-дифосфат Фосфодиокси- 3-фосфоглицериновый
ацетон альдегид
Фосфодиоксиацетон изомеризуетcя в фосфоглицериновый альдегид.
Это приводит к образованию второй молекулы фосфоглицеринового альдегида. Последний подвергается окислению с образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и энергии. Энергия накапливается в фосфатных связях двух молекул 1,3-дифосфоглицериновой кислоты. В дальнейшем эти две молекулы превращаются в две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты, при этом происходит neренос фосфорной кислоты на АДФ с образованием АТФ, т. е. происходит субстратное фосфорилирование.
Далее 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфо-глицериновую кислоту, последняя переходит в 2-фосфоенолпирови-ноградную кислоту, благодаря каталитическому действию фермента енолазы. В результате этой реакции образующаяся фосфоенол-пировиноградная кислота приобретает макроэргическую фосфорную связь. Затем фосфоенолпировиноградная кислота вступает в реакцию перефосфорилирования (трансфосфорилирования) с АДФ при участии фермента пируваткиназы, в результате чего происходит перенос фосфатных групп от 2 молекул фосфоенолпирувата на АДФ с образованием 2-х молекул пирувата и 2-х молекул АТФ (происходит субстратное фосфорилирование).
OH OH
СН2—0—Р=0 СН2-О-Р.= О
| |
OH OH
+4НАДН+Н+
2СНОН —4Н,+2НАД+ ,+2 Н 3Р04 2 СНОH
¬¾¾¾
С=0 - ¾¾¾® С=0
фосфоглицеринальдегид OH
H дегидрогеназа
O~Р=O
OH
3-фосфоглицериновый 1,3-дифосфоглицериновая
альдегид кислота
OH OH
СH2—0—Р=0 СН2-О-Р.= О
OH OH
2СНОН +2 АДФ 2 СНОH +2 АТФ
¬¾¾¾
С=O - ¾¾¾® СOOH
OH фосфоглицерат-
киназа
O~Р=O
OH
1,3-дифосфоглицериновая 3-фосфоглицериновая
кислота кислота
2 пируват
пируват- ¯
Фосфоенолпируват+ 2АДФ —¾®- 2АТФ+2 енолпируват
киназа
Пировиноградная кислота под влиянием лактатдегидрогеназы вступает в оксидоредукцию с ранее образовавшейся в результате окисления фосфоглицеринового альдегида восстановленной формой никотинамидадениндинуклеотида (НАДН) и превращается в молочную кислоту при недостатке кислорода в клетках.
СН3 СН3
ú лактатде- ú
2 С=O +2 НАДН ¾¾® 2 CHOH + 2 НАД+
ú гидрогеназа ú
COOH COOH
Пировиноградная Молочная
кислота кислота
Молочная кислота (лактат) образуется в тканях в анаэробных условиях. Большинство реакций гликолиза обратимо. В результате анаэробного распада глюкозы образуется 2 молекулы пировиноградной кислоты 2HADH2, и, освобождаемая энергия накапливается в виде 2 молекул АТФ (2 молекулы АТФ расходуются и 4 молекулы образуется). В процессе гликогенолиза также образуется 2 молекулы пировиноградной кислоты, 2 НАДН2 и 4 молекулы АТФ, но расходуется 1 молекула АТФ. Энергетический выход при гликогенолизе составляет 3 молекулы АТФ.
На рис. 7.1 путь гликолиза и гликогенолиза изображен схематически.
Гликоген Глюкоза
½ ½
¯ Фосфорилаза АТФ ½ Гексокиназа
Глюкозо-1-фосфат ½
¯ ¯
``````````````````¯``````````
Глюкозо-6-фосфат
¯
Фруктозо-6-фосфат
¯ + АТФ
Фруктозо-1,6-дифосфат
¯
`¯```````````````````````````¯
 |
Фосфоглицериновый Фосфодиоксиацетон
альдегид
¯ +2 НАД+
2 молекулы 1, 3- дифосфоглицери- _____________
новой кислоты + ½ 2 НАДН+ Н+ ½
¯ +2 АДФ `````````````
2 молекулы 3-фосфоглицериновой ________
кислоты + ½ 2 АТФ ½
¯ ````````
2 молекулы 2-фосфоглицериновой
кислоты
¯ Енолаза
2 молекулы 2-фосфоенолпировино-
градной кислоты
¯ + 2АДФ
2 молекулы фосфоенолпировино- ________
градной кислоты + ½ 2 АТФ ½
 |
¯
2 молекулы пировиноградной кислоты
Рис. 7.1. Схема реакций гликолиза.
БРОЖЕНИЕ. Процессы анаэробного распада глюкозы, вызываемые различными микроорганизмами, известны под названием брожений. Наиболее распространенными видами брожений являются:
1. Спиртовое брожение. Его суммарное уравнение:
С6Н120 ® 2 С2Н5ОН+2 СО2
Глюкоза Этиловый
спирт
Лекция "2.4 Методы непараметрической статистики" также может быть Вам полезна.
2. Молочнокислое брожение идет по уравнению:
СбН12Об ® 2 СН3СНОН—СООН
3. Маслянокислое брожение:
СбН120б —® СН3—СН2—СН2—СООН+2СО2+2Н2
Масляная кислота
Первые этапы при различных видах брожения идут аналогично вышеописанному анаэробному распаду глюкозы при гликолизе до образования пировиноградной кислоты. Так же, как это было рассмотрено выше для животных тканей, в микроорганизмах (дрожжах, бактериях) происходит прежде всего фосфорилирование глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфат, а затем фруктозо-1,6-дифосфат. Дифосфат фруктозы также распадается на две молекулы глицеринового альдегида, а последний через ряд стадий дает пировиноградную кислоту.
